基于远距离RFID的学生平安短信服务系统

2018-01-18员玉良徐鹏飞杨丽丽

自动化与仪表 2017年1期

员玉良，徐鹏飞，杨丽丽

（青岛农业大学机电工程学院，青岛 266109）

学生人身安全不仅事关一个家庭的和睦与幸福，同时也关系着学校和社会环境的和谐与稳定。现实中有许多问题困扰着家长和学校。如：孩子每天是否按时到校？过了放学时间孩子还没回来，是否已经离校？天气恶劣，却不知学校是否提前放学或停课？学生根本没有到校或者已经离校，在校外发生了意外，学校责任如何明确等。然而由于目前师资力量有限，而相关技术手段相对落后，对学生的管理多数还停留在手工管理和计算机辅助管理的初级阶段，信息反馈不及时，尤其是当发生学生逃课和出走等情况时，家长与学校之间由于沟通配合不够，无法及时发现，导致意外发生，以致责任不明，甚至家长和学校对簿公堂，严重影响到了家庭幸福、学校以及社会的和谐稳定[1-2]。

通过分析不难发现，学校与家长之间缺少必要、及时的沟通是导致悲剧发生的重要原因。尽管当前存在学生刷卡考勤系统，但多为基于近距离的无源RFID技术，需要学生近距离刷卡，一旦在上下学时段极易造成人员拥堵，而且需要学生主动配合刷卡，考勤效率较低[3]。因此，本文设计了基于远距离有源RFID技术的学生平安短信服务系统。

1 系统组成

远距离RFID学生平安短信服务系统组成如图1所示，主要包括有源RFID卡、射频读卡器、手机以及监控中心计算机。

图1 系统组成Fig.1 System structure diagram

当学生携带学生卡进入读卡区域时，系统能够自动远距离读取学生卡所携带的信息，并对学生的到离校情况进行相应的判断，然后记录相应的时间，并以短信的形式将学生的到离校时间通知家长，也可将这些考勤信息上传监控中心计算机。

有源卡由学生佩戴，其内部存有代表学生身份的唯一ID号；读卡器采用高性能32位ARM Cortex-M3内核微控制器的STM32系列单片机作为CPU，读卡速度可达1000签/s，读卡距离可自行调节，最远达80 m。它内部集成有FLASH芯片和时钟芯片，FLASH芯片用于储存学生卡及其对应的家长手机号，时钟芯片主要记录读卡时间。本系统读卡器共有2个，分别安装于校门内和校门外，二者协调配合判断学生入学还是离校；手机分为2类，一类是中心手机，考虑到本设计只需发送短信息功能，所以本设计采用基于GSM的SIM300手机模块[4]，它与读卡器一一相连，完成短信发送，而另一类是学生家长用的普通手机，除了正常使用外，可用于接收中心手机发送来的学生平安短信；监控中心计算机位于学校内，它主要完成考勤信息的集中、备份以及查询等功能。

2 系统硬件设计

远距离RFID学生平安短信服务系统硬件主要包括多张有源RFID卡、读卡器和各种通信接口设计。读卡器模块包括ARM芯片STM32F103RB、FLASH芯片AT45DB161D[5]和时钟芯片DS1302等。其中，AT45DB161D与STM32F103RB通过SPI总线接口相连，而DS1302等为单总线系列芯片。通信接口的设计主要指有线通信接口和无线通信接口两部分。2个读卡器控制核心STM32F103RB与监控中心计算机、以及它们之间均由RS-485完成数据通信。STM32F103RB通过RS-232串行接口控制GSM手机模块SIM300发送短信。STM32F103RB通过2.4 GHz的高频通信接口实现对有源RFID卡的信息读取，系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件连接Fig.2 System hardware connection

首先将2个读卡器及其对应的GSM手机模块SIM300安装于校门口内外2处位置，安装时应尽量避免读卡半径重合。每个学生胸前或书包上均镶嵌有一张远距离有源RFID卡，当学生到达校门时，附近的读卡器立即读取有源卡发出的无线射频信号，并根据读到的卡号扫描FLASH芯片AT45DB161D，找出与之对应的手机号，同时记录读卡时间，然后2个读卡器通过RS-485总线协调判断2个读卡器的读卡顺序，从而确定入校还是离校。最后2个读卡器共同决策，由其中一个读卡器向GSM手机模块SIM300发送AT命令，完成平安短信发送。校门外和校门内读卡器分别完成入校和离校短信发送。具体短信样式为“***提醒您，您的孩子***已于20**年**月**日**时**分安全到达学校”和“***提醒您，您的孩子***已于20**年**月**日**时**分离开学校”。

考勤信息也可由2个读卡器直接通过RS-485传输给监控中心计算机，完成数据存档、分析以及查询等功能。

3 系统软件设计

系统软件由下位机软件程序和上位监控计算机管理软件程序两部分组成。本文着重介绍下位机系统软件设计。下位机主要完成系统初始化、射频卡信息采集、时钟信息读取、FLASH读写、手机模块短信发送、读卡器间的数据通信以及读卡器与上位机间的数据传输等功能。其中，2个读卡器之间的通信不仅可以实现学生出、入校判断，而且还可以有效防止单一读卡器产生的漏读现象。因此，读卡器发出短信的情况主要有2种：①2个读卡器都能读到卡信息；②只有1个读卡器读到卡信息。

若记校门外读卡器读卡效果为F（A），则F（A）=1表示读到卡信息，F（A）=0表示漏读卡信息；记校门内读卡器读卡效果为 F（B），则 F（B）=1表示读到卡信息，F（B）=0表示漏读卡信息。记Y为考勤效果，则Y（A）为第①种情况考勤效果，Y（B）为第②种情况的考勤效果。则：

显然，只有 F（A）与 F（B）均为 1 时，Y（A）=1，此时，可以通过判断 F（A）与 F（B）变为 1的先后顺序判断学生入校还是出校；而对第（2）种情况，只要 F（A）与 F（B）有一个为 1，则 Y（B）=1。若Y（A）或 Y（B）为1则Y=1，代表考勤成功。但当Y（A）=0且Y（B）=1时，表示只有1个读卡器读卡成功，此时将不会马上发送短信，而是先将相应标志位存储起来，在某一个特定的时间（如8：30和17：30）系统会统一对FLASH进行扫描。然后根据标志位的状况，发出相应的短信。具体系统软件流程如图3所示。

4 试验结果与分析

在不影响学校正常教学秩序的情况下，试验于2015年4月6日～25日在山东省青岛市城阳区某学校进行，试验对象为2个教学班70名学生。试验结果表明，考勤按时出校入校成功率达到92.35%，通过定时扫描补发考勤成功率7.65%。二者综合达到100%，说明系统可靠，无漏读卡和漏发短信息现象，满足实际需要。特别需要说明的是，读卡器之一出现漏读情况主要发生在上、下学个别时段，这期间学生出入学校人数较为集中，多张卡同时出现在读卡区域，造成了读卡信息在一定程度上的拥堵。通过采用2个读卡器进行考勤，完全解决了这一问题。